什么是气候变化的观测效应和预期效应？
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20世纪全球的平均地面温度大约增加了0.6 ℃。这一增量看似很小，却有着看得见的影响，平均温度上升的原因是温室气体浓度的增加。一个值得注意的影响是海平面的上升。水遇热而膨胀。另外，像格陵兰和南极洲那样的陆冰融化使得海平面进一步上升。另一个影响是，诸如阿拉斯加、加拿大和西伯利亚北方气候区的永久冻土融化。人们对这个影响的担忧之一是封存在永久冻土中的一种温室气体——甲烷被释放了出来。这将会加速全球变暖的恶性循环。
海洋吸收大气中的二氧化碳，而二氧化碳是主要的温室气体。大气中的二氧化碳越多，海洋吸收的二氧化碳就越多，达到一个临界阈值时，海洋就不能吸收更多的二氧化碳了。这种影响应该引起我们的关注，因为海洋中吸收的二氧化碳会使海水的酸性变得更强。这种酸会漂白珊瑚礁，后果是造成活体珊瑚死亡。于是，多种海洋生物的主要繁殖地受到了人类引起的气候变化的威胁。全世界已经开始注意到北冰洋的冰层正在退缩。冰层的减少已经把一些动物，例如北极熊，推到了灭绝边缘。在接下来的20年内，北极熊可能只能生存在动物园里了。
预报指出气候变化的区域性和全球影响可能会越来越严重。根据政府间气候变化专门委员会所做的普查，在21世纪期间，全球平均温度将升高1.4 ℃~5.8 ℃。到21世纪末，平均地面温度将比现在高10%到40%。这一相对宽的温度范围只是科学上的预测，而不是预言。虽然不确定性较大，但其趋势指向更为重大的影响。例如，许多岛国可能整个儿沉入海中。上升的海平面也可能会淹没一些海滨城市。在这些城市中，有一些是人口超过千万的特大都市。岛国的沉没和城市的淹没将使人们逃离这些地区，导致巨大的难民危机。这些移民将造成其他地区资源紧张。
另一个预见得到的影响是潮湿地区由于下雨、降雪变得更为潮湿，干旱地区则由于旱灾而变得更为干旱。在潮湿地区，预计会有更多的洪水，而在干旱地区则可能出现更多的热浪和野火。最大的担忧之一是地球的气候体系正在趋近临界点，在此临界点上，这些影响将会呈指数级放大和增强。自然的矫正和人为的机制有可能最终使此体系回转到一个令人更为满意的范围之中。但是进行这样的矫正所需的时间与温室气体停留在大气中的时间长短有关。遗憾的是，二氧化碳分子停留在大气中的时间通常长于一个世纪。结果是，即使人类今天就停止燃烧化石燃料却没有去除过量的二氧化碳，大气中已经存在的二氧化碳也会产生惯性效应，促使气候变化。
人类可以对逆转全球过度变暖做些什么？
从本质上讲，人类能够采取三个行动：降低排放到大气中的温室气体的量；增加对这些气体，特别是二氧化碳的吸收；减少透射大气的太阳光的量。对于第一个行动，人们可以采取一些步骤。最为重要的努力之一是，在运输、电力生产和取暖方面减少燃烧化石燃料。所使用的化石燃料的种类也是很关键的因素。特别是，燃料的含碳量越高，在燃烧这种燃料时排放的二氧化碳的量也越多。主要化石燃料的含碳量从高到低排列为：煤、石油和天然气。所以用天然气代替煤，能够明显降低二氧化碳的排放量。用太阳能、风能、水能和核能替代化石燃料可以有一个更大的正面效应，因为这些资源在它们的生命周期中排放的二氧化碳很少。(有关核能的作用，我们将在后面更全面地讨论。)把从燃烧化石燃料的发电厂中排放出的二氧化碳封存起来，可能最终会得到广泛应用。但是，到目前为止，只在少数几个地方使用碳捕集技术，如由挪威国家石油公司(Statoil)在北海运行的斯莱普内尔油田和位于美国北达科他州比尤拉市的燃煤合成天然气厂。
另外一个步骤是降低化石燃料的人均碳排放量。那就是，每一个人都要少消费这些燃料。但是整个工业化时代的模式是，一些国家在走向更加发达的道路上，消费了数量惊人的化石燃料。面临的挑战是如何去帮助这些发展中国家跳过密集使用化石燃料的阶段。与此相关的一个挑战是要让全球人口达到一个可以承受的水平。全球人口正在沿着一条轨道奔向21世纪中叶要超过90亿人的目标。目前的约68亿人口已经是不能承受的数量了，消耗自然资源的速率，已经远远超过了可以重新补足的水平。可想而知，90亿人口将会是什么样子。
能源的使用，在历史上已经与人口增长关联了起来。那就是，一般来说更多地使用能源对于延长人的寿命和降低婴儿的死亡率是有帮助的。这种情况与受到良好教育的人群相关联，这导致人口趋于平稳，在许多发达国家，由于妇女倾向于少生孩子，人口也在减少。另一种减少温室气体排放的方法是人们食用那些在食物链中处于低端的食物。特别是，少吃肉将降低对家畜的需求，这既能减少这些家畜排放的甲烷，又能减少为家畜提供场地而进行的森林砍伐。
第二个活动领域是把二氧化碳和其他温室气体清除出大气。例如，重新植树造林可以把二氧化碳封存在树木中。这对促进其他植物的生长可能也是有帮助的。用藻类、柳枝稷和其他非食用植物进行商业化燃料生产，以及用生物质燃料代替化石燃料最终也能减少大气中的碳的净含量。
最后一个活动领域是所谓的地球工程。人类可以有目的地输送一些硫酸盐之类的、能够反射太阳光的材料到上层大气中去。另一些方法包括喷洒微小的海水微粒到低空云层中去，使云层增白，反射更多的太阳光，以阻止更多的太阳光到达地球表面，以及部署由多达数万亿个微小圆盘组成的太阳屏蔽器。这些地球工程技术更像是在制造地球冷却效应，而不是减少温室气体。只要没有采用这种反射方法，全球变暖的总效应仍将施加在地球身上。而且这些方法对于减轻海洋的酸化根本不起作用。无论如何，如果这个世界对解决方案更为失望，人们可能就会呼吁实施地球工程。这样一来，就需要进行认真的研究和发展，以权衡其得失。